Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Функция
|
Производная
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Дифференцирование тригонометрических функций — математический процесс нахождения производной тригонометрической функции или скорости её изменения по отношению к переменной. Например, производная функции синуса записывается как sin(a) = cos(a), что означает, что скорость изменения sin(x) под определённым углом x = a задаётся косинусом этого угла.
Все производные круговых тригонометрических функций могут быть найдены из производных sin(x) и cos(x) с помощью правила частного[англ.], применяемого к таким функциям, как tan(x) = sin(x)/cos(x). Зная эти производные, можно производные от обратных тригонометрических функций найти с помощью неявного дифференцирования.
Все указанные функции непрерывны и дифференцируемы в своей области определения[1].
Содержание
Доказательства производных тригонометрических функций
Предел sin()/ при стремлении к 0
На диаграмме справа показан круг с центром O и радиусом r = 1. Пусть два радиуса OA и OK образуют дугу в радиан. Поскольку мы рассматриваем предел, когда стремится к нулю, мы можем предположить, что — это небольшое положительное число, скажем, 0 < < в первом квадранте.
На схеме пусть R1 будет треугольником OAK, R2 — круговым сектором KOA и R3 — треугольником OAL. Тогда площадь треугольника OAK:
Площадь кругового сектора OAK — это , а площадь треугольника OAL определяется как
Поскольку каждый объект содержится в следующем, мы имеем:
Более того, поскольку sin > 0 в первом квадранте, мы можем разделить на sin , получив:
На последнем этапе мы взяли обратно три положительных члена, изменив неравенство.
Мы пришли к выводу, что для 0 < < выражение sin()/ будет всегда меньше 1 и всегда больше cos(). Таким образом, чем ближе к 0, тем сильнее sin()/ становится "сжатым" между потолком на высоте 1 и полом на высоте cos , который стремится к 1; следовательно, sin()/ стремится к 1, когда стремится к 0 с положительной стороны:
Для случая, когда — это небольшое отрицательное число - < <0, мы используем тот факт, что синус — это нечётная функция:
Предел (cos()-1)/ при стремлении к 0
Последний раздел позволяет нам относительно легко рассчитать этот новый предел. Это делается простым трюком. В этом расчёте знак неважен.
С использованием cos2 – 1 = –sin2, факт, что предел произведения является произведением пределов, а предельный результат из предыдущего раздела, мы находим, что:
Предел tan()/ при стремлении к 0
Используя предел для функции синуса и то, что функция тангенс нечётна и предел произведения является произведением пределов, мы находим:
Производная функции синуса
Мы рассчитываем производную функции синуса из определения предела:
Используя формулы сложения углов sin(+) = sin cos + sin cos , мы имеем:
Использование пределов для функций синуса и косинуса:
Если использовать гиперболические функции, то формально можно получить, что:
,
т.к.
Производная функции косинуса
Мы снова вычисляем производную функции косинуса из определения предела:
Используя формулу сложения углов cos(+) = cos cos – sin sin , мы имеем:
Использование пределов для функций синуса и косинуса:
Если использовать гиперболические функции, то формально можно получить, что:
Чтобы вычислить производную функции косинуса из цепного правила, сначала обратите внимание на три следующих факта:
Первое и второе — это тригонометрические тождества, а третье доказано выше. Используя эти три факта, мы можем написать следующее:
Мы можем дифференцировать это, используя цепное правило. Положив , мы имеем:
- .
Таким образом, мы доказали, что
- .
Производная функции тангенса
Чтобы вычислить производную функции тангенса tan , мы используем первые принципы. По определению:
Используя известную формулу угла tan(+) = (tan + tan ) / (1 - tan tan ), мы имеем:
Используя тот факт, что предел произведения является произведением пределов:
Используя предел для функции тангенса и тот факт, что tan стремится к 0, поскольку стремится к 0:
Сразу видим, что:
Также можно вычислить производную функции тангенса, используя правило частного:
Числитель можно упростить до 1 с помощью пифагорового тождества, что даёт нам:
Следовательно,
Доказательства производных обратных тригонометрических функций
Следующие производные можно найти, установив переменную y равной обратной тригонометрической функции, от которой мы хотим взять производную. Используя неявное дифференцирование и затем решая для dy/dx, производная обратной функции будет найдена в терминах y. Чтобы преобразовать dy/dx обратно в термины x, мы можем нарисовать эталонный треугольник на единичной окружности, положив равным y. Используя теорему Пифагора и определение обычных тригонометрических функций, мы наконец можем выразить dy/dx через x.
Дифференцирование функции арксинуса
Пусть
где
Тогда
Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:
Подставляя сверху , имеем:
Подставляя сверху , имеем:
Дифференцирование функции арккосинуса
Пусть
где
Тогда
Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:
Подставляя сверху , получаем:
Подставляя сверху , получаем:
В качестве альтернативы, как только производная от установлена, производная от сразу следует путём дифференцирования тождества так, что .
Дифференцирование функции арктангенса
Пусть
где
Тогда
Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:
Левая сторона:
- , используя пифагорово тождество
Правая сторона:
Следовательно,
Подставляя сверху , получаем:
Дифференцирование функции арккотангенса
Пусть
где
Тогда
Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:
Левая сторона:
- , используя пифагорово тождество
Правая сторона:
Следовательно,
Подставляя , получаем:
Дифференцирование функции арксеканса
Пусть
Тогда
(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение секанса и тангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x.)
В качестве альтернативы, производная арксеканса может быть получена из производной арккосинуса с использованием цепного правила.
Пусть
где
- and
Тогда, применяя цепное правило к , имеем:
Дифференцирование функции арккосеканса
Пусть
Тогда
(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение косеканса и котангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x.)
В качестве альтернативы, производная арккосеканса может быть получена из производной арксинуса с использованием цепного правила.
Пусть
где
- and
Тогда, применяя цепное правило к , имеем:
См. также
Примечания
- Производные тригонометрических функций (рус.). math24.ru. Math24. Дата обращения: 7 июля 2021. Архивировано 9 июля 2021 года.
Литература
|
|